RU2119680C1 - Method of geoelectromagnetic prospecting and gear for its implementation - Google Patents
Method of geoelectromagnetic prospecting and gear for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2119680C1 RU2119680C1 RU94014548A RU94014548A RU2119680C1 RU 2119680 C1 RU2119680 C1 RU 2119680C1 RU 94014548 A RU94014548 A RU 94014548A RU 94014548 A RU94014548 A RU 94014548A RU 2119680 C1 RU2119680 C1 RU 2119680C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- input
- output
- amplifier
- phase shift
- antenna
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к геофизике и может быть использовано для поиска неоднородностей грунта, например, включений подземных вод, локализации границ разнородных сред, инженерно-геологических изысканий, например, при картографии участков под застройку зданий и сооружений, для поиска подземных коммуникаций, а также для обнаружения мест повреждения подземных трубопроводов. The invention relates to geophysics and can be used to search for heterogeneities of the soil, for example, groundwater inclusions, localization of the boundaries of heterogeneous environments, engineering and geological surveys, for example, when mapping land plots for the development of buildings and structures, to search for underground utilities, as well as to find places damage to underground pipelines.
Известен способ геоэлектроразведки, в котором возбуждают в земле на исследуемом участке электромагнитный многочастотный зондирующий сигнал, измеряют его частоту, причем, зондирующий сигнал возбуждают формированием последовательности радиоимпульсов с заданным периодом, длительностью и формой модулирующего импульса, изменяют частоту несущей от радиоимпульса к радиоимпульсу последовательности по заданному закону, принимают вторичную последовательность радиоимпульсов, определяют величину разности фаз по отношению к зондирующему сигналу, функцию зависимости величины разности фаз от номера радиоимпульса и ее корреляционные характеристики, по которым судят о свойствах геологических тел и вмещающих пород [1]. There is a known method of geoelectrical exploration, in which an electromagnetic multi-frequency sounding signal is excited in the ground at the test site, its frequency is measured, and the sounding signal is excited by generating a sequence of radio pulses with a given period, duration and shape of a modulating pulse, the carrier frequency is changed from the radio pulse to the radio pulse of the sequence according to a given law take the secondary sequence of radio pulses, determine the magnitude of the phase difference with respect to the probing s the signal, the function of the dependence of the magnitude of the phase difference on the number of the radio pulse and its correlation characteristics, which are used to judge the properties of geological bodies and host rocks [1].
Недостатком известного способа являются его высокая сложность и трудность реализации, а также низкие эксплуатационные возможности по причине того, что он является активным и требует наличия передающей радиостанции, и, кроме того, невысокие функциональные возможности, поскольку не позволяет обнаруживать повреждения подземных трубопроводов, а также низкая степень безопасности и экологичности, т.к. создает значительное "загрязнение" среды мощными электромагнитными полями и представляет значительную опасность облучения персонала. Помимо этого, к недостаткам известного способа относится низкая помехозащищенность и невысокая точность, ввиду низкой точности измерения вторичного поля, обусловленной влиянием мощного первичного поля. The disadvantage of this method is its high complexity and difficulty of implementation, as well as low operational capabilities due to the fact that it is active and requires a transmitting radio station, and, in addition, low functionality, since it does not allow to detect damage to underground pipelines, as well as low degree of safety and environmental friendliness, as creates a significant "pollution" of the environment by powerful electromagnetic fields and poses a significant risk of exposure to personnel. In addition, the disadvantages of this method include low noise immunity and low accuracy, due to the low accuracy of the secondary field measurement due to the influence of a powerful primary field.
Известен способ обнаружения зон разломов впереди забоя подземной выработки, при котором осуществляют регистрацию сигналов естественного электромагнитного поля Земли (ЕЭМПЗ) в диапазоне сверхдлинных волн. Кроме того, регистрацию сигналов ЕЭМПЗ осуществляют по мере проходки подземной выработки в диапазоне 5 - 50 кГц в импульсном виде подсчетом числа импульсов за интервал времени, прохождение предразломной зоны фиксируют по увеличению числа импульсов ЕЭМПЗ в два-три раза по сравнению с фоновым уровнем, а обнаружение зоны разлома производят по уменьшению числа регистрируемых импульсов ЕЭМПЗ практически до нулевого уровня [3]. There is a method of detecting fault zones in front of the face of an underground mine, in which the signals of the Earth’s natural electromagnetic field (EEMP) are recorded in the ultra-long wavelength range. In addition, the registration of EEMP signals is carried out as underground excavation is carried out in the range of 5 - 50 kHz in a pulse form by counting the number of pulses per time interval, the passage of the pre-fracture zone is recorded by increasing the number of EEMP pulses by two to three times in comparison with the background level, and detection fault zones are produced by reducing the number of recorded EEMP pulses to almost zero level [3].
Известный способ является пассивным, т.е. не требует облучения грунта внешним электромагнитным полем, в связи с чем обладает относительно высокой чувствительностью по причине отсутствия влияния первичного поля и простой реализации, поскольку не требует передающей аппаратуры. The known method is passive, i.e. does not require irradiation of the soil with an external electromagnetic field, and therefore has a relatively high sensitivity due to the absence of the influence of the primary field and simple implementation, since it does not require transmitting equipment.
Недостатками известного способа являются низкие функциональные возможности ввиду невозможности обнаружения подземных вод, различных включений грунта, подземных коммуникаций и локализации мест их повреждений, а также низкая помехозащищенность и достоверность измерения, особенно при импульсных и случайных помехах, которые могут отсеиваться только статистически при многократных повторениях измерений, и, кроме того, низкая точность. The disadvantages of this method are the low functionality due to the impossibility of detecting groundwater, various inclusions of soil, underground utilities and localization of the places of their damage, as well as low noise immunity and reliability of measurement, especially with pulsed and random interference, which can only be eliminated statistically during repeated measurements, and, in addition, low accuracy.
Известен способ геоэлектроразведки, заключающийся в том, что регистрируют электрическую составляющую сигналов естественного электромагнитного поля Земли (ЕЭМПЗ) за счет того, что перемещают приемную антенну параллельно поверхности Земли, выделяют из всего зарегистрированного спектра, по меньшей мере, одну узкую полосу частот. Кроме того, узкие полосы из зарегистрированного спектра выделяют одновременно и параллельно по параллельным каналам, а затем проводят сравнение амплитудных и модуляционных вариаций во временной области всех сигналов в узких полосах частот между собой. Кроме того, сравнение осуществляют с предварительно определенными эмпирическими данными, идентифицирующими локализацию искомой аномалии, т.е. проводят предварительную калибровку по эмпирическим данным. Кроме того, шаг измерения включает амплитудное детектирование принимаемого сигнала во временной области. Кроме того, осуществляют преобразование спектрального сигнала из узких полос частот в цифровую форму и запись на магнитный носитель (пат. США 5 148 110). A known method of geoelectrical exploration, consisting in the fact that register the electrical component of the signals of the natural electromagnetic field of the Earth (EEMP) due to the fact that they move the receiving antenna parallel to the Earth’s surface, at least one narrow frequency band is extracted from the entire recorded spectrum. In addition, narrow bands from the recorded spectrum are isolated simultaneously and parallel to parallel channels, and then the amplitude and modulation variations in the time domain of all signals in the narrow frequency bands are compared with each other. In addition, the comparison is carried out with predefined empirical data identifying the location of the desired anomaly, i.e. carry out preliminary calibration according to empirical data. In addition, the measurement step includes amplitude detection of the received signal in the time domain. In addition, carry out the conversion of the spectral signal from narrow frequency bands to digital form and recording on a magnetic medium (US Pat. US 5 148 110).
К недостаткам известного способа относится низкая помехозащищенность ввиду амплитудного характера измерений и низкая точность по причине большой трудности идентификации геологической неоднородности в принимаемом сигнале, поскольку отсутствуют достаточно четкие объективные критерии ее наличия, и в определении появления неоднородности и ее местоположения большой компонент занимает субъективная оценка ввиду высокой вариативности амплитуды принимаемого сигнала во временной области, а также, соответственно, сигналов, выделенных из него в узких полосах частот. По причине высокой подверженности влиянию помех известный способ не позволяет реализовать достаточно высокую чувствительность, что также снижает точность измерений и функциональные возможности способа, поскольку позволяет определять с достаточной достоверностью только крупные и очень явные неоднородности. Кроме того, способ является сложным и обладает низкими эксплуатационными возможностями, т.к. требует параллельного разделения принимаемого сигнала на множество параллельных каналов, т.е. применение спектроанализатора, постоянной записи сигналов во всех каналах, хранение их в памяти и сравнение между собой и друг с другом, что при длительном мониторинге представляет довольно сложную задачу, а также требует постоянной калибровки по эмпирическим данным каждый раз при определении нового вида неоднородности. The disadvantages of this method include the low noise immunity due to the amplitude nature of the measurements and low accuracy due to the great difficulty in identifying the geological heterogeneity in the received signal, since there are no sufficiently clear objective criteria for its presence, and a subjective assessment takes a large component in determining the appearance of heterogeneity and its location due to its high variability the amplitude of the received signal in the time domain, as well as, respectively, signals extracted from n its in narrow frequency bands. Due to the high susceptibility to interference, the known method does not allow to implement a sufficiently high sensitivity, which also reduces the accuracy of the measurements and the functionality of the method, since it allows to determine with sufficient reliability only large and very obvious heterogeneities. In addition, the method is complex and has low operational capabilities, because requires parallel separation of the received signal into multiple parallel channels, i.e. the use of a spectrum analyzer, the constant recording of signals in all channels, storing them in memory and comparing with each other and with each other, which is a rather difficult task during long-term monitoring, and also requires constant calibration using empirical data each time when determining a new type of heterogeneity.
Известно устройство для электроразведки, содержащее генератор периодических сигналов, выход которого подключен к излучателю, последовательно соединенные приемник магнитного поля и предварительный усилитель, а также избирательный усилитель и блок измерения и регистрации; содержащее также генератор импульсов опорной частоты, первый и второй делители частоты, детектор пересечения нулевого уровня, схему И, счетчик импульсов, цифровой блок памяти, цифроаналоговый преобразователь, инвертор напряжения, первый и второй одновибраторы, причем, генератор импульсов опорной частоты соединен со входом первого делителя частоты и первым входом схемы И, выход первого делителя подключен ко входу генератора периодических сигналов, выход предварительного усилителя подключен к последовательно соединенным избирательному усилителю, детектору пересечения нулевого уровня и второму делителю частоты, выход которого соединен со вторым входом схемы И и входами первого одновибратора и инвертора напряжения, выход схемы И подключен к счетному входу счетчика импульсов, разрядные выходы которого подключены ко входам цифрового блока памяти, выходы цифрового блока памяти соединены со входами цифроаналогового преобразователя, аналоговый выход которого подключен к блоку измерения и регистрации, выход первого одновибратора подключен ко входу установки в "0" счетчика импульсов, а выход инвертора напряжения соединен со входом второго одновибратора, выход которого подключен к управляющему входу блока памяти [2]. A device for electrical exploration is known, containing a periodic signal generator, the output of which is connected to the emitter, a magnetic field receiver and a pre-amplifier connected in series, as well as a selective amplifier and a measurement and registration unit; also comprising a reference frequency pulse generator, first and second frequency dividers, a zero crossing detector, circuit I, a pulse counter, a digital memory unit, a digital-to-analog converter, a voltage inverter, first and second one-shot oscillators, wherein the reference frequency pulse generator is connected to the input of the first divider frequency and the first input of the circuit AND, the output of the first divider is connected to the input of the periodic signal generator, the output of the pre-amplifier is connected to a series-connected selective the amplifier, the zero crossing detector and the second frequency divider, the output of which is connected to the second input of the And circuit and the inputs of the first one-shot and voltage inverter, the output of the And circuit is connected to the counting input of the pulse counter, the bit outputs of which are connected to the inputs of the digital memory block, the digital outputs the memory blocks are connected to the inputs of the digital-to-analog converter, the analog output of which is connected to the measurement and registration unit, the output of the first one-shot is connected to the installation input in the "0" counter and pulses, and the output of the voltage inverter is connected to the input of the second one-shot, the output of which is connected to the control input of the memory unit [2].
Известное устройство является активным, т.е. работает на прием отраженного от аномалии зондирующего сигнала, в связи с чем недостатками его являются высокая сложность и низкие эксплуатационные характеристики, а также невысокая точность по причине влияния помех от первичного электромагнитного поля при приеме отраженного вторичного сигнала, и низкие функциональные возможности. The known device is active, i.e. It works to receive the probe signal reflected from the anomaly, due to which its disadvantages are high complexity and low operational characteristics, as well as low accuracy due to the influence of interference from the primary electromagnetic field when receiving the reflected secondary signal, and low functionality.
Известное устройство содержит чувствительный элемент, выполненный в виде антенны, предварительный усилитель, вход которого соединен с входом антенны, перестраиваемый полосовой фильтр, вход которого соединен с выходом предварительного усилителя, анализатор с индикаторным элементом, генератор опорного сигнала и фазовый детектор, а анализатор содержит фильтр нижних частот, усилитель и интегратор, вход интегратора соединен с выходом усилителя, вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, а выход интегратора соединен с входом индикаторного элемента. Кроме того, в разрыв связи между выходом предварительного усилителя и входом перестраиваемого фильтра включен режекторный фильтр, настроенный на частоту сети (50 или 60 Гц), анализатор также содержит смеситель, первый выход которого является входом анализатора, второй вход соединен с выходом генератора опорного сигнала, а выход смесителя соединен со входом фильтра нижних частот, выходы перестраиваемого полосового фильтра и фильтра нижних частот соединены соответственно со входом анализатора и усилителя через переключатели. Кроме того, генератор опорного сигнала также содержит кварцевый генератор, первый делитель частоты на 104, вход которого соединен с выходом кварцевого генератора, выход которого соединен с первым входом фазового детектора, первый фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом фазового детектора, первый управляемый напряжением генератор, вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, управляемый делитель частоты, тактовый вход которого соединен с выходом первого управляемого напряжением генератора, выход управляемого делителя частоты соединен со вторым входом фазового детектора, а входы установки коэффициента деления управляемого делителя частоты соединены с выходами аддитивного сумматора, входы которого являются входами установки принимаемой частоты; второй делитель частоты на 103, вход которого соединен с выходом первого управляемого напряжением генератора, второй фазовый детектор, первый вход которого соединен с выходом второго делителя частоты, второй фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом второго фазового детектора, второй управляемый напряжением генератор, вход которого соединен с выходом второго фильтра нижних частот, а первый выход является выходом генератора опорного сигнала, второй выход которого соединен со входом третьего декадного делителя частоты, выход которого соединен со вторым входом фазового детектора (пат. США N 4 198 596).The known device contains a sensing element, made in the form of an antenna, a pre-amplifier, the input of which is connected to the input of the antenna, a tunable band-pass filter, the input of which is connected to the output of the pre-amplifier, an analyzer with an indicator element, a reference signal generator and a phase detector, and the analyzer contains a lower filter frequency, amplifier and integrator, the integrator input is connected to the amplifier output, the input of which is connected to the low-pass filter output, and the integrator output is connected to the input and indicator element. In addition, a notch filter tuned to the mains frequency (50 or 60 Hz) is included in the communication gap between the output of the preliminary amplifier and the input of the tunable filter, the analyzer also contains a mixer, the first output of which is the analyzer input, the second input is connected to the output of the reference signal generator, and the mixer output is connected to the input of the low-pass filter, the outputs of the tunable band-pass filter and the low-pass filter are connected respectively to the input of the analyzer and amplifier through switches. In addition, the reference signal generator also contains a crystal oscillator, a first 10 4 frequency divider, the input of which is connected to the output of the crystal oscillator, the output of which is connected to the first input of the phase detector, the first low-pass filter, the input of which is connected to the output of the phase detector, the first controlled voltage generator, the input of which is connected to the output of the low-pass filter, a controlled frequency divider, the clock input of which is connected to the output of the first voltage-controlled generator, the output of the controlled elitelya frequency connected to the second input of the phase detector, and the inputs of the division ratio of the frequency divider managed are connected to the outputs of the additive combiner having inputs are inputs to receive frequency setting; a second frequency divider by 10 3 , the input of which is connected to the output of the first voltage-controlled generator, a second phase detector, the first input of which is connected to the output of the second frequency divider, a second low-pass filter, the input of which is connected to the output of the second phase detector, the second voltage-controlled generator, the input of which is connected to the output of the second low-pass filter, and the first output is the output of the reference signal generator, the second output of which is connected to the input of the third ten-day frequency divider for which it is connected to the second input of the phase detector (US Pat. No. 4,198,596).
Недостатками его являются невысокая помехозащищенность и низкая точность по причине того, что все измерения, выполняемые устройством, являются амплитудными, т.е. реализуют самый сильно подверженный помехам, наводкам и случайным сигналам и шумам метод. Фазовый детектор (компаратор - в патенте) 14, входящий в состав блока 7, не имеет, практически, никакого отношения к методу измерения и является составной частью генератора опорной частоты 7, а именно, входит в состав первого контура ФАПЧ (фазовой автоподстройки частоты), а второй фазовый детектор (компаратор) 18 - соответственно, в состав второго контура ФАПЧ блока 7. Эти фазовые детекторы 14 и 18 предназначены для обеспечения работы контуров ФАПЧ, которые, в свою очередь, предназначены лишь для расщепления одной фиксированной опорной частоты кварцевого генератора 12 на сетку опорных частот, т.е. блок 7 - генератор опорной частоты - является, по сути дела синтезатором частот, что необходимо для приема входных сигналов не на одной частоте кварцевого резонатора, а на множестве частот, задаваемых со входов аддитивного сумматора 24, который перестраивает коэффициент делителя частоты 17 в блоке 7. В общем же устройство по пат. 4 198 596 представляет собой обычный амплитудный шарикодиапазонный радиоприемник (особенность - прием сигналов на сверхнизких частотах от 10 Гц), в связи с чем обладает невысокой помехозащищенностью, что ограничивает общий коэффициент усиления и чувствительность по сравнению с предлагаемым устройством. Кроме того, в известном устройстве в отличие от предложенного принимаемый шумовой сигнал не является полезным сигналом, а следовательно, также создает помеху, что также усугубляет вышеперечисленные недостатки. Its disadvantages are low noise immunity and low accuracy due to the fact that all measurements performed by the device are amplitude, i.e. implement the most highly susceptible to interference, interference and random signals and noise method. The phase detector (comparator in the patent) 14, which is part of block 7, has practically nothing to do with the measurement method and is an integral part of the reference frequency generator 7, namely, it is part of the first PLL (phase-locked loop) and the second phase detector (comparator) 18 - respectively, as part of the second PLL circuit of block 7. These phase detectors 14 and 18 are designed to ensure the operation of the PLL circuits, which, in turn, are intended only for splitting one fixed reference
Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет осуществления реагирования на неоднородности грунта различной природы, в том числе, на подземные воды, осуществления возможности поиска подземных коммуникаций и мест их повреждения; улучшение эксплуатационных характеристик за счет упрощения реализации способа и упрощения обслуживания устройств, реализующих предложенный способ; повышение точности, помехозащищенности и достоверности локализации границ неоднородностей. The aim of the invention is the expansion of functionality by responding to heterogeneity of soil of various nature, including groundwater, the ability to search for underground utilities and places of damage; improving operational characteristics by simplifying the implementation of the method and simplifying the maintenance of devices that implement the proposed method; improving the accuracy, noise immunity and reliability of localization of the boundaries of heterogeneities.
Для достижения поставленной цели в известном способе обнаружения зон разломов впереди забоя подземной выработки, при котором осуществляют регистрацию сигналов естественного электромагнитного поля Земли (ЕЭМПЗ) в диапазоне сверхдлинных волн, дополнительно в процессе регистрации сигналов ЕЭМПЗ производят компенсацию помехового фона, а регистрацию сигналов ЕЭМПЗ проводят по регистрации шумовой компоненты электрической составляющей ЕЭМПЗ. Кроме того, регистрацию шумовой компоненты электрической составляющей ЕЭМПЗ осуществляют за счет того, что образуют электроемкость между землей и приемной антенной за счет того, что размещают ее над поверхностью земли; измеряют шумовую компоненту электрического сигнала, пропорционального изменению заряда образованной емкости; и перемещают антенну параллельно поверхности Земли в направлении предполагаемого поиска. Кроме того, измерение шумовой компоненты электрического сигнала, пропорционального изменению заряда, осуществляют на фиксированных частотах, по меньшей мере, одной в узкой полосе частот для каждой фиксированной частоты, а также за счет того, что измеряют фазовый сдвиг каждой выделенной составляющей, по наличию и характеру изменения которого судят о наличии неоднородностей в грунте. Кроме того, измерение фазового сдвига производят накоплением его за большое число периодов колебаний. Кроме того, накопление фазового сдвига за большое число периодов колебаний осуществляют интегрированием текущего значения величины фазового сдвига. Кроме того, компенсацию помехового фона производят за счет того, что выравнивают сдвиг фаз между опорным сигналом и текущим значением узкополосного сигнала ЕЭМПЗ на фиксированной частоте при регистрации последнего при неподвижной приемной антенне. Кроме того, о наличии неоднородностей в грунте судят путем того, что компенсацию помехового фона производят каждый раз непосредственно перед измерением, а антенну в процессе измерения перемещают параллельно поверхности Земли в направлении поиска и считывают при этом изменение величины фазового сдвига и при резком изменении этой величины фиксируют переход из одной среды в другую, а по скорости резкого изменения определяют глубину залегания границы смены сред. Кроме того, после перехода через границу смены сред производят повторную компенсацию помехового фона и перемещают антенну параллельно поверхности Земли в обратном направлении, повторно фиксируя резкое изменение величины накапливаемого фазового сдвига. Кроме того, перед компенсацией помехового фона и регистрацией сигналов ЕЭМПЗ производят нагнетание жидкости в трубопровод, например, воды до тех пор, пока в местах повреждений не образуются пятна окружающего трубопровод грунта, пропитанного жидкостью, по меньшей мере, в несколько раз превышающие диаметр трубопровода, и по результатам регистрации ЕЭМПЗ производят локализацию пятна мокрого грунта в месте утечки. To achieve this goal in the known method for detecting fault zones ahead of the face of the underground mine, in which the signals of the Earth’s natural electromagnetic field (EEMP) are recorded in the ultra-long wavelength range, additionally, in the process of recording the EEMP signals, interference noise is compensated, and the EEMP signals are recorded by recording noise component of the electric component of the EEMP. In addition, the registration of the noise component of the electric component of the EEMP is carried out due to the fact that they form the electric capacity between the ground and the receiving antenna due to the fact that it is placed above the surface of the earth; measuring the noise component of the electrical signal proportional to the change in charge of the formed capacitance; and moving the antenna parallel to the surface of the Earth in the direction of the proposed search. In addition, the measurement of the noise component of an electric signal proportional to the change in charge is carried out at fixed frequencies of at least one in a narrow frequency band for each fixed frequency, as well as due to the fact that the phase shift of each selected component is measured by the presence and nature changes which judge the presence of heterogeneity in the soil. In addition, phase shift is measured by accumulating it over a large number of oscillation periods. In addition, the accumulation of the phase shift for a large number of periods of oscillation is carried out by integrating the current value of the magnitude of the phase shift. In addition, the compensation of the interference background is carried out due to the fact that the phase shift between the reference signal and the current value of the narrow-band signal of the EEMP are fixed at a fixed frequency when the latter is recorded with a stationary receiving antenna. In addition, the presence of inhomogeneities in the soil is judged by the fact that the interference background is compensated every time immediately before the measurement, and the antenna during the measurement process is moved parallel to the Earth’s surface in the search direction and the change in the magnitude of the phase shift is read out and, with a sharp change in this magnitude, fix transition from one medium to another, and the depth of the boundary of the change of media is determined by the speed of a sharp change. In addition, after crossing the boundary of the medium change, the interference background is again compensated and the antenna is moved parallel to the Earth's surface in the opposite direction, again recording a sharp change in the magnitude of the accumulated phase shift. In addition, before compensating for the background noise and registering the EEMP signals, liquid is injected into the pipeline, for example, water until spots of soil surrounding the pipeline, impregnated with the liquid, are at least several times larger than the diameter of the pipeline, and According to the results of the registration of the EEMP, a wet spot is localized at the leak site.
Для достижения поставленной цели в известную пассивную геофизическую разведочную систему, содержащую чувствительный элемент, перестраиваемый фильтр, вход которого соединен с выходом чувствительного элемента и анализатор, содержащий индикаторный элемент, вход анализатора соединен с выходом перестраиваемого фильтра, дополнительно введены предварительный усилитель, генератор опорного сигнала и усилитель переменного тока, а в анализатор - фазовый детектор, первый и второй входы которого являются первым и вторым входами анализатора, фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом фазового детектора, усилитель постоянного тока, первый вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, блок коррекции, выход которого соединен со вторым входом усилителя постоянного тока, интегратор, вход которого соединен с выходом усилителя постоянного тока, а выход интегратора соединен с выходом индикаторного элемента, кнопка сброса интегратора, соединенная со входом сброса интегратора; чувствительный элемент представляет собой антенну, выполненную в виде плоского проводящего диска; перестраиваемый фильтр выполнен в виде импульсного фильтра, имеющего второй вход, к которому соединен выход генератора опорных сигналов, который соединен также со вторым входом анализатора; предварительный усилитель включен между чувствительным элементом и перестраиваемым фильтром так, что выход чувствительного элемента соединен со входом предварительного усилителя, выход которого соединен со входом перестраиваемого фильтра, а усилитель переменного тока включен между выходом перестраиваемого фильтра и первым входом анализатора. Кроме того, антенна является ненаправленной и широкополосной и имеет размеры пренебрежимо малые по сравнению с длиной принимаемых волн. To achieve this goal, a known passive geophysical exploration system containing a sensitive element, a tunable filter, the input of which is connected to the output of the sensitive element and an analyzer containing an indicator element, the input of the analyzer is connected to the output of the tunable filter, an additional preamplifier, a reference signal generator, and an amplifier are additionally introduced alternating current, and into the analyzer - a phase detector, the first and second inputs of which are the first and second inputs of the analyzer, fi three low frequencies, the input of which is connected to the output of the phase detector, a DC amplifier, the first input of which is connected to the output of the low-pass filter, a correction unit, the output of which is connected to the second input of the DC amplifier, an integrator, the input of which is connected to the output of the DC amplifier, and the output of the integrator is connected to the output of the indicator element, the reset button of the integrator connected to the reset input of the integrator; the sensing element is an antenna made in the form of a flat conductive disk; the tunable filter is made in the form of a pulse filter having a second input to which the output of the reference signal generator is connected, which is also connected to the second input of the analyzer; a pre-amplifier is connected between the sensor and the tunable filter so that the output of the sensor is connected to the input of the pre-amplifier, the output of which is connected to the input of the tunable filter, and an AC amplifier is connected between the output of the tunable filter and the first input of the analyzer. In addition, the antenna is omnidirectional and broadband and is negligible compared to the received wavelength.
На фиг. 1 изображена схема перемещения антенны относительно неоднородности грунта при выполнении предлагаемого способа электромагнитной разведки; на фиг. 2 - схема расположения тектонического разлома и графики изменения выходного сигнала для примера 1 выполнения способа электромагнитной разведки; на фиг. 3 - 7 - примеры 2 - 5 выполнения способа; на фиг. 8 - функциональная схема устройства для электромагнитной разведки, реализующего предлагаемый способ. In FIG. 1 shows a diagram of the movement of the antenna relative to the heterogeneity of the soil when performing the proposed method of electromagnetic reconnaissance; in FIG. 2 is a location diagram of a tectonic fault and graphs of changes in the output signal for example 1 of the electromagnetic reconnaissance method; in FIG. 3 to 7 - examples 2 to 5 of the method; in FIG. 8 is a functional diagram of a device for electromagnetic intelligence that implements the proposed method.
Способ электромагнитной разведки основан на измерении естественного электромагнитного поля Земли (ЕЭМПЗ) в диапазоне сверхдлинных волн и локализации его искажений, а именно, изменений фазочастотных характеристик шумовой составляющей электрической компоненты ЕЭМПЗ под действием неоднородностей грунта, в том числе, в виде включений. The electromagnetic reconnaissance method is based on measuring the Earth’s natural electromagnetic field (EEMP) in the ultra-long wavelength range and localizing its distortions, namely, changes in the phase-frequency characteristics of the noise component of the EEMP electric component under the influence of soil inhomogeneities, including in the form of inclusions.
Известно, что излучение ЕЭМПЗ в общем случае имеет шумовую компоненту с непрерывным спектром [5]. Известные пассивные способы, основанные на регистрации собственных электромагнитных полей (например, [3]), регистрируют, как правило, общую шумовую характеристику в широком диапазоне без спектрального разложения шума, причем, наличие включений грунта оценивается по амплитуде шумового сигнала. Предлагаемый способ основан на выделении из общей шумовой компоненты отдельной частотной составляющей на фиксированной частоте и измерении величины ее фазового сдвига относительно опорного сигнала. Поскольку амплитуда принимаемого сигнала не играет роли, предлагаемый способ позволяет реализовать значительно большее усиление, чем при амплитудных измерениях, что обусловливает его значительно более высокую чувствительность, что также позволяет высокая помехозащищенность фазового метода, т.к. помехи носят преимущественно амплитудный характер. В сочетании с предложенными операциями (регистрация шумовой компоненты электрической составляющей сигналов ЕЭМПЗ, выделение составляющей шума на фиксированной частоте, измерение шумового сигнала, пропорционального изменению заряда емкости, образованной антенной и землей, порядок перемещения антенны и локация границ неоднородностей, сопоставление характера и количественных показателей изменения величины интеграла фазового сдвига с наличием и расположением неоднородностей) измерение фазового сдвига является чрезвычайно информативным и позволяет обнаруживать не только наличие широкого спектра неоднородностей грунта, включая подземные воды, но и производить локализацию их границ и оценку глубины залегания, в том числе, находить места повреждений подземных коммуникаций, например, трубопроводов. It is known that the radiation of the EEMF in the general case has a noise component with a continuous spectrum [5]. Known passive methods based on the registration of intrinsic electromagnetic fields (for example, [3]) record, as a rule, the total noise characteristic over a wide range without spectral decomposition of noise, and the presence of soil inclusions is estimated by the amplitude of the noise signal. The proposed method is based on the allocation of the total noise component of a separate frequency component at a fixed frequency and measuring the magnitude of its phase shift relative to the reference signal. Since the amplitude of the received signal does not play a role, the proposed method makes it possible to realize a much larger gain than in amplitude measurements, which determines its significantly higher sensitivity, which also allows high noise immunity of the phase method, since the interference is mainly amplitude in nature. In combination with the proposed operations (registration of the noise component of the electric component of the EEMP signals, separation of the noise component at a fixed frequency, measurement of a noise signal proportional to the change in the charge of the capacitance formed by the antenna and the ground, the order of movement of the antenna and location of the boundaries of inhomogeneities, a comparison of the nature and quantitative indicators of the change in the magnitude integral of the phase shift with the presence and location of inhomogeneities) phase shift measurement is extremely informative explicit and allows one to detect not only the presence of a wide range of heterogeneities of the soil, including groundwater, but also to localize their boundaries and assess the depth of occurrence, including locating damage to underground utilities, for example, pipelines.
Способ осуществляют следующим образом. The method is as follows.
Приемную антенну электрической составляющей ЕЭМПЗ в виде проводящего диска располагают параллельно поверхности Земли на расстоянии 1 - 1,5 м, при этом антенна образует с землей электроемкость, величина заряда которой не зависит от расстояния до земли и пропорциональна шумовому сигналу ЕЭМПЗ. Далее, с помощью узкополосного фильтра с шириной полосы пропускания не более долей герца выделяют составляющую шумового сигнала на частоте настройки фильтра и измеряют сдвиг фаз между этой составляющей и опорным сигналом той же частоты за большое число периодов опорного сигнала (более 103-104). Т.к. величина фазового сдвига между этими сигналами, как правило, мала, то измерение ее представляет собой значительные трудности. Для разрешения этой задачи в предлагаемом способе измерение фазового сдвига производят путем накопления, в частности, интегрированием его текущей величины и индикацией величины интеграла фазового сдвига. Такой подход дает возможность наиболее просто и безошибочно регистрировать наличие сколь угодно малых величин фазового сдвига. Поиск неоднородностей осуществляют путем перемещения антенны с постоянной скоростью примерно параллельно поверхности Земли в направлении поиска. При этом перед началом движения производят компенсацию помехового фона при неподвижной приемной антенне путем выравнивания начального значения сдвига фаз между опорным сигналом и принимаемой составляющей сигналов ЕЭМПЗ. Далее, производят перемещение антенны в предполагаемом направлении поиска, непрерывно считывая при этом величину интеграла фазового сдвига, и по резкому изменению этой величины фиксируют переход из одной среды в другую, а по скорости этого изменения определяют глубину залегания границы раздела сред так, что меньшей глубине залегания соответствует более резкое изменение фазового сдвига (т.е. за меньшее время). Даже при малых стабильных отклонениях фазы принимаемого сигнала от опорного величина интеграла фазового сдвига увеличивается и за конечное время может достигнуть максимальных значений. Оценка величины фазового сдвига производится в этом случае, фактически, по времени достижения интегралом фазового сдвига определенной величины (например, величины насыщения интегратора), либо по величине интеграла за фиксированный промежуток времени. Для повышения достоверности, особенно при больших глубинах залегания неоднородностей, возможно повторное прохождение границы раздела в обратном направлении. Для этого после первого перехода через границу раздела выполняют повторную компенсацию помехового фона и перемещают приемную антенну в обратном направлении, повторно фиксируя изменение фазового сдвига при прохождении границы раздела сред.The receiving antenna of the electric component of the EEMP in the form of a conductive disk is parallel to the Earth's surface at a distance of 1 - 1.5 m, while the antenna forms an electric capacity with the earth, the charge of which does not depend on the distance to the earth and is proportional to the noise signal of the EEMP. Next, using a narrow-band filter with a bandwidth of no more than a fraction of hertz, a noise signal component is isolated at the filter tuning frequency and the phase shift between this component and the reference signal of the same frequency is measured for a large number of periods of the reference signal (more than 10 3 -10 4 ). Because the magnitude of the phase shift between these signals is usually small, then measuring it presents significant difficulties. To solve this problem in the proposed method, the measurement of the phase shift is carried out by accumulating, in particular, integrating its current value and indicating the magnitude of the phase shift integral. Such an approach makes it possible to most easily and accurately register the presence of arbitrarily small values of the phase shift. The search for heterogeneities is carried out by moving the antenna at a constant speed approximately parallel to the Earth's surface in the search direction. In this case, before the start of the movement, the interference background is compensated for when the receiving antenna is stationary by aligning the initial value of the phase shift between the reference signal and the received component of the EEMP signals. Next, the antenna is moved in the expected direction of the search, continuously reading the magnitude of the phase shift integral, and a sharp change in this value records the transition from one medium to another, and the rate of this change determines the depth of the interface so that a smaller depth corresponds to a sharper change in the phase shift (i.e. in less time). Even with small stable deviations of the phase of the received signal from the reference, the value of the phase shift integral increases and can reach maximum values in a finite time. The value of the phase shift is estimated in this case, in fact, by the time the integral reaches the phase shift of a certain value (for example, the saturation value of the integrator), or by the value of the integral over a fixed period of time. To increase the reliability, especially at large depths of occurrence of inhomogeneities, it is possible to re-pass the interface in the opposite direction. To do this, after the first transition through the interface, re-compensation of the background noise is performed and the receiving antenna is moved in the opposite direction, re-recording the change in phase shift when passing the media interface.
Современная элементная база позволяет построить устройства, реализующие предлагаемый способ, величина дрейфа в которых незначительна по сравнению с минимальными физически значимыми величинами сдвига фаз между измеряемым и опорным сигналами. Кроме того, при измерениях рекомендуется периодически проводить обнуление интегратора, особенно, перед началом движения антенны в направлении поиска. Modern elemental base allows you to build devices that implement the proposed method, the magnitude of the drift in which is insignificant compared to the minimum physically significant values of the phase shift between the measured and reference signals. In addition, during measurements it is recommended to periodically reset the integrator, especially, before the antenna moves in the search direction.
В случае нахождения мест повреждения подземных трубопроводов, предварительно производят нагнетание в него жидкости до тех пор, пока вокруг мест повреждения не образуются подземные области мокрого грунта, пропитанного вытекающей из повреждений трубопровода жидкостью. Желательно, чтобы размер областей превышал в несколько раз диаметр трубопровода. Далее, выполняют операцию поиска как описано выше, и по фиксации границ раздела сред определяют места повреждений. In the case of finding damage points to underground pipelines, liquid is pre-injected into it until underground areas of wet soil are formed around the damage sites, impregnated with the fluid resulting from damage to the pipeline. It is desirable that the size of the areas exceed several times the diameter of the pipeline. Next, a search operation is performed as described above, and the location of damage is determined by fixing the boundaries of the media.
Пример 1. Производилась фиксация местоположения тектонического разлома в районе деревни Федоровка Уфимского района республики Башкортостан. Измерения осуществляли на заранее известном месте тектонического разлома по данным Башкирского филиала института геологии РАН, что позволило проконтролировать достоверность предлагаемого изобретения. Приемную антенну перемещали вдоль ровной поверхности дороги (фиг. 2) с постоянной скоростью 0,5 м/с. Показания индикатора считывали непрерывно для нескольких различных частот настройки, а именно, 6, 7, 8 и 10 кГц. Измерения показали явно выраженную зависимость величины фазового сдвига на всех частотах от положения тектонического разлома относительно общего уровня вне разлома, где проводилась предварительная компенсация помехового фона перед перемещением антенны из точки A в точку B и наоборот (см. фиг. 2). Плавность графиков изменения интеграла фазы выделенных составляющих шумового сигнала электрической компоненты ЕЭМПЗ указывает на значительную глубину залегания неоднородности. Example 1. A fixation was made of the location of the tectonic fault in the area of the village of Fedorovka in the Ufa region of the Republic of Bashkortostan. The measurements were carried out at a previously known place of the tectonic fault according to the Bashkir branch of the Institute of Geology of the Russian Academy of Sciences, which allowed us to verify the reliability of the invention. The receiving antenna was moved along a flat road surface (Fig. 2) at a constant speed of 0.5 m / s. The indicator readings were read continuously for several different tuning frequencies, namely, 6, 7, 8 and 10 kHz. The measurements showed a pronounced dependence of the phase shift at all frequencies on the position of the tectonic fault relative to the general level outside the fault, where the interference background was preliminarily compensated before moving the antenna from point A to point B and vice versa (see Fig. 2). The smoothness of the graphs of the change in the phase integral of the selected components of the noise signal of the electric component of the EEMP indicates a considerable depth of heterogeneity.
Пример 2. Определение прохождения водяной жилы при поиске места для строительства колодца в районе деревни Ракитов Куст Кармаскалинского района республики Башкортостан (фиг. 3). Колодец C - существующий. Необходимо было определить место для нового колодца E, находящегося от существующего колодца C на расстоянии от него не менее 0,5 км. Для этого в непосредственной близости от колодца C по кругу радиусом около 10 м был проведен поиск по предлагаемому способу и найдено направление прохождения водяной жилы. В этом направлении по нормали к нему на расстоянии 0,5 км от колодца C был вторично проведен поиск, показавший залегание водяной жилы и ее ширину (фиг. 3). Скорость перемещения антенны 0,5 м/с, измерения производились на частоте 7,5 кГц. В связи с малой глубиной залегания водяной жилы видно резкое изменение показаний индикатора при прохождении над краями жилы, что способствовало точной фиксации ее местоположения. Бурение в пункте E, выполненное по результатам измерений, подтвердило их высокую точность и показало глубину залегания водяной жилы, равную 5,5 м. Example 2. Determination of the passage of a water vein when searching for a place to build a well in the area of the village of Rakitov Kust, Karmaskalinsky district of the Republic of Bashkortostan (Fig. 3). Well C is existing. It was necessary to determine the location for a new well E, located at least 0.5 km from the existing well C. To do this, in the immediate vicinity of well C in a circle with a radius of about 10 m, a search was carried out for the proposed method and the direction of passage of the water core was found. In this direction, normal to it at a distance of 0.5 km from well C, a second search was performed, which showed the occurrence of a water core and its width (Fig. 3). The speed of movement of the antenna is 0.5 m / s; measurements were made at a frequency of 7.5 kHz. Due to the shallow depth of the water core, a sharp change in the indicator readings is seen when passing over the edges of the core, which contributed to the exact fixation of its location. Drilling in paragraph E, performed according to the measurement results, confirmed their high accuracy and showed a water core depth of 5.5 m.
Пример 3. Производилось определение неизвестного места расположения отвода трубы от основной магистрали на территории Уфимского завода синтетических мастик. Диаметр основной магистрали 100 мм, диаметр отвода - 50 мм. Основная магистраль расположена на глубине более 1,5 м под землей, почва на момент измерений была покрыта сверху льдом и снегом толщиной 0,5 м. Измерения производились на частоте 6,2 кГц. Резкие изменения величины фазового сдвига при перемещении антенны (фиг. 4) дали возможность точно определить место прохождения отвода, что подтвердилось при проведении раскопок (что отражено в актах испытаний, которые прилагаются). Example 3. The unknown location of the pipe outlet from the main highway in the Ufa synthetic mastic plant was determined. The diameter of the main line is 100 mm, the diameter of the branch is 50 mm. The main line is located at a depth of more than 1.5 m underground, the soil at the time of measurement was covered on top with ice and snow 0.5 m thick. Measurements were made at a frequency of 6.2 kHz. Sudden changes in the magnitude of the phase shift when moving the antenna (Fig. 4) made it possible to accurately determine the passage of the branch, which was confirmed during the excavation (which is reflected in the test reports that are attached).
Пример 4. Определение места повреждения трубопровода на территории Уфимского завода чертежных приборов. Трубопровод диаметром 100 мм находился на глубине 2,5 м. Производилась фиксация местонахождения трубопровода в двух сечениях, между которыми предположительно находилось место утечки. Изменения показаний прибора соответствовали диаметру трубопровода (фиг. 5). Далее, по трубопроводу прокачивали воду в течение 10 мин, после чего осуществляли передвижение приемной антенны вдоль трубопровода на небольшом расстоянии от него (0,2 м), непрерывно контролируя нулевое показание индикатора. При прохождении над подземным пятном мокрого грунта в месте утечки, показания индикатора резко менялись, благодаря чему фиксировались границы пятна (фиг. 5). При этом скорость нарастания интеграла фазового сдвига при прохождении над пятном существенно отличалась от скорости его нарастания при прохождении над трубопроводом при постоянной скорости перемещения антенны, равной 0,5 м/с. В непосредственной близости (около 5 м) от обнаруженного места утечки проходил высоковольтный кабель приблизительно перпендикулярно направлению трубопровода, что не повлияло на точность обнаружения повреждения, что подтверждает высокую помехозащищенность предложенного способа. Точность измерений подтверждена проведенными раскопками, о чем свидетельствует прилагаемый акт. Example 4. Determining the location of damage to the pipeline in the Ufa plant of drawing instruments. The pipeline with a diameter of 100 mm was at a depth of 2.5 m. The location of the pipeline was fixed in two sections, between which the leak site was supposedly located. Changes in the readings of the device corresponded to the diameter of the pipeline (Fig. 5). Further, water was pumped through the pipeline for 10 minutes, after which the receiving antenna was moved along the pipeline at a small distance from it (0.2 m), continuously monitoring the indicator zero. When passing over an underground spot of wet soil in the place of leakage, the indicator readings changed sharply, due to which the boundaries of the spot were fixed (Fig. 5). In this case, the slew rate of the phase shift integral when passing over the spot significantly differed from its slew rate when passing over the pipeline at a constant antenna speed of 0.5 m / s. In the immediate vicinity (about 5 m) from the detected leakage point, a high-voltage cable passed approximately perpendicular to the direction of the pipeline, which did not affect the accuracy of damage detection, which confirms the high noise immunity of the proposed method. The accuracy of the measurements is confirmed by excavations, as evidenced by the attached act.
Пример 5. Определение места неисправности отопительной системы на Уфимском заводе чертежных приборов, приводящей к утечке горячей воды до 200 м3 в сутки. Отопительная система в виде трубы отопления диаметром 1 дюйм проходила вдоль стены с внутренней стороны здания в механическом цехе под слоем бетона и металлическим полом (фиг. 6). Утечка воды фиксировалась по разнице давлений на входе F и выходе H трубы. Вытекаемая вода просачивалась в местах утечки под фундамент здания, находящегося на берегу реки, и поступала в нее так (фиг. 7), что невозможно было даже сколько-нибудь приблизительно определить положение мест утечек.Example 5. Determining the location of a malfunction of the heating system at the Ufa plant of drawing instruments, leading to the leakage of hot water up to 200 m 3 per day. The heating system in the form of a heating pipe with a diameter of 1 inch passed along the wall from the inside of the building in the machine shop under a layer of concrete and a metal floor (Fig. 6). Water leakage was recorded by the pressure difference at the inlet F and the outlet H of the pipe. The leaked water seeped in at the leak points under the foundation of the building, located on the river bank, and entered it in such a way (Fig. 7) that it was not even possible to determine the approximate position of the leak points.
Компенсация помехового фона производилась в пункте F рядом с трубой, после чего осуществляли перемещение приемной антенны вдоль всего протяжения трубы параллельно ей по направлению к пункту H (фиг. 6). Поступление в трубу воды не прерывалось, в результате чего утечка продолжала свободно происходить. В результате проведенных фазовых измерений были обнаружены 4 места утечки различной интенсивности - одно большое пятно G1 диаметром около 1 м и три меньших пятна G2, G3, G4 диаметром 20 - 30 см (фиг. 6). При прохождении через границу каждого пятна наблюдалось возникновение сдвига фаз, приводящего к росту с постоянной скоростью сигнала, пропорционального интегралу сдвига фаз. При этом скорость роста этого сигнала была одинакова для всех пятен G2-G4 и отличалась от скорости роста сигнала интеграла сдвига фаз, возникающего от трубы отопления при ее пересечении, а скорость роста сигнала от пятна G1 была значительно больше, чем в этих случаях.The interference background was compensated at point F near the pipe, after which the receiving antenna was moved along the entire length of the pipe parallel to it towards point H (Fig. 6). The flow of water into the pipe was not interrupted, as a result of which the leak continued to occur freely. As a result of the phase measurements, 4 leak points of various intensities were discovered - one large spot G 1 with a diameter of about 1 m and three smaller spots G 2 , G 3 , G 4 with a diameter of 20 - 30 cm (Fig. 6). When passing through the boundary of each spot, the appearance of a phase shift was observed, leading to an increase at a constant signal speed proportional to the integral of the phase shift. Moreover, the growth rate of this signal was the same for all spots G 2 -G 4 and differed from the growth rate of the signal of the integral phase shift arising from the heating pipe when it intersects, and the growth rate of the signal from spot G 1 was much higher than in these cases .
Устройство для электромагнитной разведки (фиг. 8) содержит приемную антенну 1 в виде плоского проводящего диска, предварительный усилитель 2, вход которого соединен с выходом антенны 1, импульсный полосовой фильтр 3, первый вход которого соединен с выходом предварительного усилителя 2, генератор 4 опорных сигналов, выход которого соединен со вторым входом импульсного фильтра 3, усилитель 5 переменного тока, вход которого соединен с выходом импульсного фильтра 3, фазовый детектор 6, первый вход которого соединен с выходом усилителя переменного тока 5, а второй вход соединен с выходом генератора 4; а также последовательно соединенные фильтр 7 нижних частот, усилитель 8 постоянного тока, интегратор 10 и индикатор 11, причем вход фильтра нижних частот 7 соединен с выходом фазового детектора 6; блок коррекции 9, выход которого соединен со вторым входом усилителя 8 постоянного тока и кнопку 12 сброса интегратора 10, соединенную со входом сброса интегратора 10; фазовый детектор 6, фильтр нижних частот 7, усилитель 8 постоянного тока с блоком коррекции, интегратор 10, индикатор 11 и кнопка сброса 12 интегратора 10 образуют анализатор 13, входами которого являются входы фазового детектора 6. A device for electromagnetic intelligence (Fig. 8) contains a receiving antenna 1 in the form of a flat conductive disk, a preliminary amplifier 2, the input of which is connected to the output of the antenna 1, a pulse bandpass filter 3, the first input of which is connected to the output of the preliminary amplifier 2, reference signal generator 4 the output of which is connected to the second input of the pulse filter 3, an AC amplifier 5, the input of which is connected to the output of the pulse filter 3, a phase detector 6, the first input of which is connected to the output of the AC amplifier current 5, and the second input is connected to the output of the generator 4; as well as series-connected low-pass filter 7, DC amplifier 8, integrator 10 and indicator 11, the input of the low-pass filter 7 being connected to the output of the phase detector 6; a correction unit 9, the output of which is connected to the second input of the DC amplifier 8 and the reset button 12 of the integrator 10 connected to the reset input of the integrator 10; a phase detector 6, a low-pass filter 7, a DC amplifier 8 with a correction unit, an integrator 10, an indicator 11 and a reset button 12 of the integrator 10 form an analyzer 13, the inputs of which are the inputs of the phase detector 6.
Устройство для электромагнитной разведки (фиг.6), реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом. A device for electromagnetic intelligence (Fig.6), which implements the proposed method, works as follows.
Приемную антенну 1 размещают параллельно поверхности Земли на расстоянии порядка 1 м, в результате чего образуется электроемкость, одной из обкладок которой является Земля, а другой - приемная антенна 1. При этом, поскольку размеры антенны 1 пренебрежимо малы по сравнению с рабочими длинами волн, частотная характеристика ее является широкополосной, что позволяет не выделять сигнал (например, радиостанции или отраженный сигнал как в известных устройствах) на фоне шума, а наоборот, принимать все виды шумов сверхдлинноволнового диапазона (с равномерным спектром, "фликкер"-шум и т.д.). Таким образом, в предлагаемом устройстве полезным является шумовой сигнал. Поскольку заряд емкости, образованной приемной антенной 1 и Землей, не зависит от расстояния до Земли и положения антенны 1, а определяется лишь свойствами электрической составляющей электромагнитного поля Земли в данном месте, флуктуация заряда этой емкости пропорциональна шумовому сигналу (напряженности) электрической компоненты ЕЭМПЗ. Сигнал с приемной антенны 1, пропорциональный заряду, поступает на вход предварительного усилителя 2, входной каскад которого выполнен по схеме усилителя заряда, преобразующего заряд в напряжение. Усиленное напряжение, пропорциональное текущим флуктуациям заряда, с выхода предварительного усилителя 2 поступает на вход импульсного фильтра 3, полоса пропускания которого составляет доли герца, где происходит выделение частотной составляющей шума на фиксированной частоте, определяемой частотой сигнала, поступающего на второй вход импульсного фильтра 3 с генератора 4 опорного сигнала (из спектра шума импульсный фильтр 3 пропускает только сигналы, совпадающие по частоте с частотой сигнала генератора 4). Далее, напряжение выделенной фильтром 3 составляющей шума усиливается в усилителе 5 переменного тока с большим коэффициентом усиления (до ограничения сигнала по уровню) и поступает на вход фазового детектора 6, где происходит преобразование фазового сдвига между первой гармоникой входного сигнала и совпадающим с ней по частоте сигналом опорного генератора 4 в импульсное напряжение, площадь импульса которого пропорциональна величине фазового сдвига. Это напряжение поступает на вход фильтра 7 нижних частот, который выделяет постоянную составляющую из этой импульсной последовательности, уровень которой пропорционален текущему значению фазового сдвига, таким образом, происходит преобразование фазового сдвига в напряжение. Это напряжение усиливается далее в усилителе 8 постоянного тока, на второй вычитающий вход которого поступает постоянное напряжение с выхода блока коррекции 9, который представляет собой прецизионный регулируемый источник опорного напряжения. Величина и знак этого напряжения устанавливается при компенсации уровня помехового фона таким образом, чтобы перед измерением сигнал на выходе усилителя постоянного тока 8 был равен нулю. В этом случае сигнал на выходе интегратора 10 также равен нулю, что отражается индикаторным элементом 11. The receiving
Аномалии, находящиеся в земной коре (геологические неоднородности, наличие воды, пустот, металлических предметов) создают соответствующие искажения ЕЭМПЗ, что отражается на его шумовой компоненте электрической составляющей, и при прохождении над аномалией антенны 1 в процессе ее перемещения создают дополнительные фазовые сдвиги напряжения с выхода усилителя 5 переменного тока относительно напряжения с выхода генератора 4 опорных сигналов, что обуславливает появление на выходе фазового детектора 6 напряжения, отличающегося от напряжения, соответствующего фазовому сдвигу входных сигналов при отсутствии аномалии. При этом напряжение на выходе фазового детектора 6 становится отличным от предварительно установленного в отсутствие аномалии напряжения с выхода схемы коррекции 9, в результате чего при их вычитании в усилителе постоянного тока 8 они не компенсируют друг друга и на выходе усилителя 8 появляется отличное от нуля напряжение, пропорциональное приращению фазового сдвига вносимых в поле искажений, вызванных скрытой в грунте аномалией. Наличие малейшего фазового сдвига, отличающегося от фона, и, соответственно, напряжения, отличного от нуля на выходе усилителя 8 постоянного тока, приводит к тому, что интегратор 10 начинает интегрировать это напряжение и уровень сигнала на его выходе растет. При этом текущая скорость этого роста определяется текущей величиной фазового сдвига и при наличии даже незначительной величины последнего сигнал на выходе интегратора 10 может достигнуть напряжения насыщения при достаточном времени интегрирования. Процесс изменения напряжения на выходе интегратора 10 отражается на индикаторе 11, например стрелочном, и может поэтому наблюдаться визуально. Таким образом, устройство позволяет индицировать наличие даже небольших отличий фазового сдвига частотных составляющих шумовой компоненты сигналов ЕЭМПЗ от фона, в результате чего позволяет реализовать высокую чувствительность обнаружения неоднородностей грунта и инородных включений в нем. Кроме того, по скорости нарастания напряжения на выходе интегратора 10 можно судить о величине фазового сдвига в конкретном месте, т.е. о глубине залегания искомой неоднородности. Перед началом измерений интегратор 10 необходимо обнулить нажатием кнопки 12 сброса, разряжающей конденсатор интегратора 10. Это рекомендуется также делать периодически в процессе поиска до обнаружения неоднородностей во избежание накопления напряжения дрейфа. Anomalies located in the earth's crust (geological inhomogeneities, the presence of water, voids, metal objects) create the corresponding distortions of the electromagnetic field, which is reflected in its noise component of the electrical component, and when passing over the anomaly of
Предлагаемый способ электромагнитной разведки по сравнению с известными, в том числе, с прототипом, обладает следующими преимуществами:
значительно более широкими функциональными возможностями, позволяющими обнаруживать скрытые неоднородности в грунте различной природы - геологического происхождения, например, тектонические разломы, пустоты, водоносные горизонты и т.д., металлические предметы, например, кабели, трубопроводы и т.д., а также проводить локализацию их границ и обнаруживать дефекты, например, трубопроводов, за счет применения анализа наиболее информативной шумовой составляющей поля;
значительно улучшенными эксплуатационными характеристиками, а именно, высокой степенью простоты, отсутствием мощных и громоздких источников энергии и отсутствием необходимости применения сложной аппаратуры, за счет осуществления поиска неоднородностей пассивным путем без применения каких-либо излучающих, поляризующих и других активных средств;
простотой применяемых операций, отсутствием необходимости наладки, настройки и исключительной простотой обучения персонала, а также дешевизной способа;
высокой степенью экологичности, поскольку отсутствуют какие-либо электромагнитные облучения поверхности Земли, окружающих предметов, персонала и т.д.;
высокой помехозащищенностью в связи с применением узкополосной импульсной фильтрации шумового сигнала и фазовой демодуляции выделенных гармонических составляющих и также за счет отсутствия помех от собственных излучающих средств по причине их отсутствия ввиду пассивности способа и работе исключительно на прием;
высокой чувствительностью за счет возможности применения более высоких значений усиления сигнала по причине отсутствия влияния амплитудных помех ввиду применения фазовой демодуляции, за счет измерения шумовой компоненты поля по изменению заряда емкостной антенны, а также за счет отображения значений интеграла фазового сдвига.The proposed method of electromagnetic intelligence in comparison with the well-known, including the prototype, has the following advantages:
significantly wider functional capabilities, allowing to detect hidden heterogeneities in the soil of various nature - geological origin, for example, tectonic faults, voids, aquifers, etc., metal objects, for example, cables, pipelines, etc., as well as conduct localization of their boundaries and detect defects, for example, pipelines, through the application of the analysis of the most informative noise component of the field;
significantly improved operational characteristics, namely, a high degree of simplicity, the absence of powerful and bulky sources of energy and the absence of the need for complex equipment, due to the search for inhomogeneities in a passive way without the use of any radiating, polarizing or other active means;
the simplicity of the operations used, the absence of the need for adjustment, configuration, and the exceptional simplicity of staff training, as well as the low cost of the method;
a high degree of environmental friendliness, since there are no electromagnetic irradiations of the Earth's surface, surrounding objects, personnel, etc .;
high noise immunity due to the use of narrow-band pulse filtering of the noise signal and phase demodulation of the selected harmonic components and also due to the absence of interference from their own emitting means due to their absence due to the passivity of the method and to work exclusively on reception;
high sensitivity due to the possibility of using higher values of signal gain due to the absence of the influence of amplitude noise due to the use of phase demodulation, due to the measurement of the noise component of the field by changing the charge of the capacitive antenna, and also by displaying the values of the phase shift integral.
Предлагаемое устройство для электромагнитной разведки, по сравнению с известными, в том числе, с прототипом, обладает следующими преимуществами:
более широкими функциональными возможностями, благодаря введению дополнительных элементов, соединенных предложенным образом, т.к. позволяет обнаруживать значительно более широкий спектр неоднородностей грунта различной природы и может использоваться в геологоразведке, поиске скрытых коммуникаций, в качестве миноискателя и дефектоскопа подземных трубопроводов;
высокой чувствительностью и помехозащищенностью, что позволяет реализовать более высокую точность поиска неоднородностей и позволяет локализовать их границы за счет введения дополнительных элементов, соединенных предложенным образом;
простотой, компактностью, малыми весогабаритными показателями по причине отсутствия передающих и излучающих блоков и малого потребления энергии, поскольку устройство является пассивным;
высокой технологичностью и отсутствием применения дефицитных деталей, что позволяет с минимальными затратами организовать массовое производство;
простота, безопасность и доступность эксплуатации, позволяющая проводить измерения без какой-либо специальной подготовки.The proposed device for electromagnetic intelligence, in comparison with the known, including the prototype, has the following advantages:
wider functionality due to the introduction of additional elements connected in the proposed manner, because allows detecting a much wider range of heterogeneities of soil of various nature and can be used in geological exploration, the search for hidden communications, as a mine detector and flaw detector of underground pipelines;
high sensitivity and noise immunity, which allows for a higher accuracy of the search for inhomogeneities and allows you to localize their boundaries by introducing additional elements connected in the proposed manner;
simplicity, compactness, small weight and size indicators due to the lack of transmitting and radiating units and low energy consumption, since the device is passive;
high manufacturability and the absence of the use of scarce parts, which allows organizing mass production at minimal cost;
simplicity, safety and ease of use, allowing measurements to be taken without any special training.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU94014548A RU2119680C1 (en) | 1994-04-19 | 1994-04-19 | Method of geoelectromagnetic prospecting and gear for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU94014548A RU2119680C1 (en) | 1994-04-19 | 1994-04-19 | Method of geoelectromagnetic prospecting and gear for its implementation |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU94014548A RU94014548A (en) | 1996-01-27 |
| RU2119680C1 true RU2119680C1 (en) | 1998-09-27 |
Family
ID=20154966
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU94014548A RU2119680C1 (en) | 1994-04-19 | 1994-04-19 | Method of geoelectromagnetic prospecting and gear for its implementation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2119680C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2645849C1 (en) * | 2016-12-07 | 2018-02-28 | Закрытое акционерное общество "Аэрогеофизическая разведка" | Method of underground waters searching |
-
1994
- 1994-04-19 RU RU94014548A patent/RU2119680C1/en active
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2645849C1 (en) * | 2016-12-07 | 2018-02-28 | Закрытое акционерное общество "Аэрогеофизическая разведка" | Method of underground waters searching |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6003376A (en) | Acoustic system for measuring the location and depth of underground pipe | |
| Won et al. | GEM-2: A new multifrequency electromagnetic sensor | |
| Duncan et al. | The development and applications of a wide band electromagnetic sounding system using a pseudo-noise source | |
| US4896117A (en) | Method of and apparatus for tracing faults in electrical conductors | |
| US4107598A (en) | Electromagnetic wave logging system for determining resistivity and dielectric constant of earth formations | |
| CA2921817C (en) | Mapping resistivity distribution within the earth | |
| CN101382599B (en) | Transient electromagnetical method for reservoir pore space anisotropy | |
| US20120062408A1 (en) | Unsynchronized radio imaging | |
| WO2004068172A1 (en) | Systems and methods for resistivity measurement | |
| US3391334A (en) | Resistivity logging based upon electromagnetic field measurements carried out with three vertically spaced detectors | |
| US3866111A (en) | Method of mineral exploration by detecting electromagnetic energy at power line frequency | |
| US4071815A (en) | Well logging system for measuring remanent magnetic fields in the earth | |
| RU2119680C1 (en) | Method of geoelectromagnetic prospecting and gear for its implementation | |
| US4939460A (en) | Indigenous electromagnetic radiation based method for detecting geologic deposits | |
| RU2632998C1 (en) | Method of detecting contamination in soils and groundwaters | |
| RU2363965C1 (en) | Method designed to monitor local irregularities and geodynamic zones of geological section top part (gst) | |
| Utada et al. | Resistivity structure of Izu-Oshima Volcano revealed by the ELF-VLF magnetotelluric method | |
| Wilt et al. | Cross-borehole and surface-to-borehole electromagnetic induction for reservoir characterization | |
| EP0971221A2 (en) | Acoustic leak detection | |
| Manstein et al. | A device for shallow frequency-domain electromagnetic induction sounding | |
| McCollor et al. | An EM method for earth resistivity measurements using power line harmonic fields | |
| Fan et al. | Correction of seismic attribute-based small-structure prediction errors using GPR data—A case study of the Shuguang Coal Mine, Shanxi | |
| RU2448U1 (en) | ELECTROMAGNETIC EXPLORATION DEVICE | |
| US1938535A (en) | Method of and apparatus for electrical prospecting | |
| McNeill | The application of electromagnetic techniques to environmental geophysical surveys |